低液限粉土質(zhì)砂水泥土在路床填筑工程中的應(yīng)用

劉 芳， 楊 小 艷

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 概 述

津石高速項(xiàng)目八分部所承擔(dān)的工程主線長度為46.9 km，分布在博野縣、安國市及定州市境內(nèi)，采用雙向六車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，為整體式路基橫斷面，設(shè)計(jì)速度為120 km/h，路基寬33.5 m。主線土方填筑方量為1 010萬m3，設(shè)計(jì)圖紙要求1.2 m的路床采用水泥土填筑，其中0.9 m的下路床采用3%的水泥土填筑，0.3 m的上路床采用5%的水泥土填筑，填筑方量約為190萬m3。

鑒于津石高速公路項(xiàng)目主線路基周邊可利用的土場較少，可利用的土料有效開采深度僅為1～1.5 m，沿線土料場40%左右的料源為低液限粉土質(zhì)砂，而將其作為普通路基填料按相關(guān)規(guī)范要求不能滿足強(qiáng)度和壓實(shí)要求，壓實(shí)度合格率較低。這是因?yàn)榈鸵合薹弁临|(zhì)砂中的砂粒和粉粒含量高、粒徑比較均勻、黏土顆粒含量少而導(dǎo)致其土質(zhì)疏松、強(qiáng)度低、級(jí)配差、塑性指數(shù)低、抗剪強(qiáng)度低、水穩(wěn)定性差。在實(shí)際工程應(yīng)用過程中，若直接采用此類低液限粉土質(zhì)砂作為路基填土，常常會(huì)發(fā)生路基沉陷、變形、路面開裂等危害，嚴(yán)重影響道路的使用年限，并且會(huì)大大增加道路后續(xù)的維修保養(yǎng)費(fèi)用。為解決這一問題，項(xiàng)目部開展了對(duì)低液限粉土質(zhì)砂水泥土在路床填筑工程中的應(yīng)用研究。

2 原材料檢測及配合比設(shè)計(jì)

2.1 土質(zhì)分析

按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》JTG3430-2020在土料場取代表性土樣進(jìn)行試驗(yàn)，包括液限、塑限、天然含水率及顆粒分析試驗(yàn)[1]。由試驗(yàn)結(jié)果可知：粉土質(zhì)砂顆粒級(jí)配中的細(xì)砂含量占72.4%，粉粒含量占27.6%,其中沒有黏粒含量。粉土質(zhì)砂檢測結(jié)果見表1。

粉土質(zhì)砂屬不良路基用土，含砂量較大，黏粒含量極少，保水性極差，晴天揚(yáng)塵大，雨天滲透速度快，易成流體狀態(tài)，壓實(shí)過程中細(xì)顆粒之間的空隙并不能被更小的土顆粒填充，無法形成密實(shí)的填充和嵌擠結(jié)構(gòu)，路用性能較差。但其可通過換填、改良或改變施工工藝處理后使用[2]。

表1 粉土質(zhì)砂檢測結(jié)果表

2.2 水泥物理力學(xué)性能指標(biāo)

水泥采用河北金隅鼎鑫水泥有限公司生產(chǎn)的P.R.S32.5水泥，依據(jù)《道路基層用緩凝硅酸鹽水泥》GB/T 35162-2017進(jìn)行水泥物理力學(xué)性能試驗(yàn)[3]，檢測結(jié)果表明其滿足相關(guān)規(guī)范要求。由表2得知：水泥的初凝時(shí)間為5 h。因此，施工現(xiàn)場從水泥土拌和開始到完成碾壓，檢測的時(shí)間必須控制在5 h以內(nèi)，以免造成水泥土板體的破壞。水泥檢測結(jié)果見表2。

表2 水泥檢測結(jié)果表

2.3 水泥土配合比設(shè)計(jì)

2.3.1 粉土質(zhì)砂配合比設(shè)計(jì)

按照3%、5%、7%、9%的水泥摻量直接對(duì)粉土質(zhì)砂進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，用以驗(yàn)證配合比試驗(yàn)結(jié)果的經(jīng)濟(jì)性以及其是否滿足路床填筑材料要求[4]。粉土質(zhì)砂水泥土配合比試驗(yàn)結(jié)果見表3。由試驗(yàn)結(jié)果得知：為保證獲得良好的壓實(shí)效果，直接用粉土質(zhì)砂摻加水泥進(jìn)行改良的水泥摻量達(dá)到了9%，遠(yuǎn)超下路床3%、上路床5%的設(shè)計(jì)要求，無經(jīng)濟(jì)性可言。

表3 粉土質(zhì)砂水泥土配合比試驗(yàn)結(jié)果表

2.3.2 粉土質(zhì)砂摻加粉質(zhì)黏土后的配合比設(shè)計(jì)

鑒于粉土質(zhì)砂的物理特性，其黏性成分缺乏，壓實(shí)性能差，不能直接應(yīng)用于路基填筑。而采用粉土質(zhì)砂摻配粉質(zhì)黏土后，可以大大降低粒徑為0.075 mm以上的顆粒含量，增加粒徑為0.075 mm以下的粉粒和黏粒含量，使其變“廢”為寶，成為較好的路基填料。項(xiàng)目部在施工現(xiàn)場選取了具有代表性的土樣進(jìn)行了室內(nèi)摻配。粉質(zhì)黏土室內(nèi)檢測結(jié)果見表4，粉土質(zhì)砂摻配粉質(zhì)黏土后的室內(nèi)檢測結(jié)果見表5。

表4 粉質(zhì)黏土室內(nèi)檢測結(jié)果表

表5 粉土質(zhì)砂摻配粉質(zhì)黏土后的室內(nèi)檢測結(jié)果表

考慮到現(xiàn)場的實(shí)際摻加情況，粉土質(zhì)砂與粉質(zhì)黏土的摻加比例選擇60%∶40%較為合理，水泥的摻量按照設(shè)計(jì)圖紙要求的3%、5%進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。項(xiàng)目部在施工現(xiàn)場選取了具有代表性的3處粉土質(zhì)砂樣品與粉質(zhì)黏土進(jìn)行了配合比試驗(yàn)。粉土質(zhì)砂摻配粉質(zhì)黏土后的配合比試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 粉土質(zhì)砂摻配粉質(zhì)黏土后的配合比試驗(yàn)結(jié)果表

水泥與土摻拌后，水泥中的礦物與土中的水份發(fā)生強(qiáng)烈的水化反應(yīng)，其延遲時(shí)間越長，對(duì)成型后的水泥土的干密度和強(qiáng)度影響越大。由于現(xiàn)有公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程中沒有水泥土相關(guān)的延遲試驗(yàn)，為了減少對(duì)水泥土板體造成破壞，得到合理的現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)控制參數(shù)，試驗(yàn)室采用了公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則中的相關(guān)延遲試驗(yàn)要求[5]。延遲試驗(yàn)采用表6中序號(hào)為1-1、2-1的土樣，最大干密度延遲試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 最大干密度延遲試驗(yàn)結(jié)果表

試驗(yàn)結(jié)果表明：粉土質(zhì)砂摻加粉質(zhì)黏土后再進(jìn)行改良，其水泥用量大大降低，不但滿足相關(guān)規(guī)范及設(shè)計(jì)要求，同時(shí)現(xiàn)場也表現(xiàn)出較好的可壓實(shí)性?，F(xiàn)場施工時(shí)間越長，對(duì)水泥土的密實(shí)度和強(qiáng)度的影響越大。根據(jù)水泥的初凝時(shí)間、現(xiàn)場施工機(jī)械情況，采用延遲試驗(yàn)得到干密度控制參數(shù)，用以合理安排施工段落的長度，從摻拌水泥拌和開始，到現(xiàn)場碾壓、檢測完成，不得超過水泥的初凝時(shí)間，以保證水泥土的壓實(shí)質(zhì)量。

3 現(xiàn)場質(zhì)量控制

3.1 施工機(jī)械的選擇、碾壓組合及松鋪厚度的控制

碾壓試驗(yàn)段的施工機(jī)械選用XS202-J或TZ25型、頻率為30 Hz左右和小于40 Hz兩級(jí)振動(dòng)頻率、動(dòng)靜壓力可調(diào)的振動(dòng)壓路機(jī)與YL20C型膠輪壓路機(jī)相結(jié)合。

粉土質(zhì)砂水泥土路床的施工工藝要求為分層填筑，動(dòng)靜結(jié)合壓實(shí)。采用先動(dòng)壓，后靜壓的方式，振動(dòng)壓實(shí)為先強(qiáng)振，后弱振，靜壓為先低速，后高速，將行駛速度嚴(yán)格控制在2～4 km/h。碾壓由兩邊向中間進(jìn)行，橫向輪跡的重疊寬度不小于40 cm，縱向碾壓的重疊寬度不小于2 m，確保碾壓寬度均勻、無漏壓、無死角。

填筑時(shí)的碾壓組合選用：一、二、二、一，即：穩(wěn)壓一遍、強(qiáng)振兩遍、弱振兩遍、再靜壓一遍，壓路機(jī)往返一次為一遍。穩(wěn)壓一遍是為了平整表面，強(qiáng)振兩遍是為了對(duì)該層的下部土進(jìn)行壓實(shí)，弱振兩遍的作用是使該層的上部土密實(shí)，靜壓一遍為采用膠輪壓路機(jī)將表面松散的土碾壓密實(shí)。

針對(duì)粉土質(zhì)砂的工程特性，在具體試驗(yàn)分析和調(diào)研的基礎(chǔ)上，最終確定了下路床松鋪厚度為26 cm±2 cm，上路床松鋪厚度為17 cm±2 cm。松鋪厚度用水準(zhǔn)儀檢查。

3.2 粉土質(zhì)砂和粉質(zhì)黏土的摻配均勻性控制

水泥土拌和的均勻性對(duì)水泥土的質(zhì)量影響較大。水泥土拌和的越均勻，水泥土的強(qiáng)度和穩(wěn)定性越高。

粉土質(zhì)砂和粉質(zhì)黏土在土料場按照60∶40的比例進(jìn)行初次拌和，即3 m3粉土質(zhì)砂摻加2 m3粉質(zhì)黏土、摻拌均勻后裝運(yùn)至填筑面上。根據(jù)路床長度、寬度、壓實(shí)厚度、水泥土的配合比、土料的含水量等，在填筑面上土前提前計(jì)算好每車土料的填筑范圍，提前在填筑面上畫好一定比例的網(wǎng)格，按照網(wǎng)格上土。

為保證粉土質(zhì)砂和粉質(zhì)黏土摻配的均勻性，將運(yùn)至填筑面的土料用推土機(jī)推平后，采用路拌機(jī)進(jìn)行二次拌和。現(xiàn)場抽取具有代表性的土樣6個(gè)，混合均勻后用四分法分出試驗(yàn)所需的樣品進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。由表8可以看出：路拌機(jī)拌和2次的效果優(yōu)于拌和1次的均勻性，與室內(nèi)摻配的效果比較接近?？紤]到素土拌和好后需撒布水泥再次進(jìn)行拌和，故現(xiàn)場摻和土路拌1次即可。粉土質(zhì)砂摻配粉質(zhì)黏土后的現(xiàn)場檢測結(jié)果見表8。

表8 粉土質(zhì)砂摻配粉質(zhì)黏土后的現(xiàn)場檢測結(jié)果表

3.3 含水率的控制

含水率是影響壓實(shí)程度的主要因素，碾壓時(shí)對(duì)含水率的要求較高。在施工過程中必須嚴(yán)格控制含水率高出最優(yōu)含水率2～3個(gè)百分點(diǎn)，以保持各環(huán)節(jié)銜接緊湊，縮短施工時(shí)間，減少水份蒸發(fā)。

由于粉土質(zhì)砂的水份容易蒸發(fā)，其保水性差。為彌補(bǔ)其水份蒸發(fā)快的缺陷，在取土場對(duì)摻和土料進(jìn)行加水、拌和、悶土作業(yè)，使含水率均勻且高于最佳含水率2～3個(gè)百分點(diǎn)。下路床水泥土最佳含水率為13.6%，上路床水泥土最佳含水率為13.2%?？紤]到水泥將吸收近1%的水量，施工時(shí)將素土的含水率控制在13.6%～17.6%之間。

3.4 水泥灰劑量的控制

水泥按照配合比計(jì)算每m2的用量?，F(xiàn)場采用撒布機(jī)撒布，每撒布車道重疊20 cm，收集1 m2的材料用量進(jìn)行灑布量的校核。對(duì)拌合好的水泥土隨機(jī)取樣進(jìn)行灰劑量檢測。

3.5 碾壓過程控制

進(jìn)行專項(xiàng)技術(shù)交底。根據(jù)水泥土現(xiàn)場施工專項(xiàng)技術(shù)方案對(duì)現(xiàn)場質(zhì)檢人員、施工人員進(jìn)行技術(shù)交底，確保勞務(wù)班組能按相關(guān)要求正確施工。按照試驗(yàn)段施工技術(shù)方案分別對(duì)現(xiàn)場的初壓、復(fù)壓、終壓碾壓遍數(shù)進(jìn)行專人跟蹤、督促檢查，確保碾壓遍數(shù)能夠達(dá)到要求。根據(jù)對(duì)碾壓試驗(yàn)段進(jìn)行的過程統(tǒng)計(jì)，完成200 m長的路床施工時(shí)間為近5 h。

3.6 試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)與分析

現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)的實(shí)際情況表明：采用粉土質(zhì)砂摻加粉質(zhì)黏土后再用水泥進(jìn)行改良，通過改善粉土質(zhì)砂的顆粒級(jí)配、施工過程和碾壓工藝，其水泥土壓實(shí)后的壓實(shí)度滿足施工及設(shè)計(jì)規(guī)范要求。試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表9。

表9 試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

相較于傳統(tǒng)的采用換填技術(shù)需要將低液限粉土質(zhì)砂外運(yùn)并需增加好土購置費(fèi)用的不足，采用粉土質(zhì)砂摻加粉質(zhì)黏土后再摻加水泥進(jìn)行改良的施工技術(shù)，極大程度地減少了成本。施工完成后的路基經(jīng)過一年以上時(shí)間的檢測，并無沉陷變形情況發(fā)生，其質(zhì)量滿足路基穩(wěn)定性需求。

4 結(jié) 語

粉土質(zhì)砂因其工程性質(zhì)差，在公路工程施工中通常的作法是直接棄用。而在摻加粉質(zhì)黏土后用水泥進(jìn)行改良，解決了該地區(qū)因填料嚴(yán)重不足、而粉土質(zhì)砂又被大量作為棄方的難題，路床成型后各項(xiàng)指標(biāo)均滿足相關(guān)規(guī)范要求，在路基填筑質(zhì)量得到有效控制的前提下，降低了施工成本，縮短了施工工期，節(jié)約了土地資源。